鋯合金作為核動力反應(yīng)堆包覆材料和結(jié)構(gòu)材料，在反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)處于高溫、高壓水中，鋯合金吸收的氫超過氫在鋯中的固溶度時(shí)以氫化鋯形式析出，會明顯降低鋯合金的塑性，氫脆的程度不僅取決于氫化物的數(shù)量，更取決于氫化物的形貌和取向。鋯合金包殼管氫化物分布及應(yīng)力再取向規(guī)律的研究具有重要的工程意義。文章通過建立模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)，對鋯合金在氫氬混合氣中滲氫形成的氫化物形貌特征及機(jī)理進(jìn)行研究。結(jié)果表明：從進(jìn)氣口開始，沿水平直徑方向，氣體流速成拋物線遞減，導(dǎo)致氫化物分布不均勻。在氬氣中保溫足夠長時(shí)間，以低速率降溫后，氫在鋯合金包殼管中充分?jǐn)U散，氫化物才能均勻分布。
隨著我國核電事業(yè)的發(fā)展，反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料的國產(chǎn)化是必然趨勢。鋯合金具有優(yōu)異的核性能，其熱中子吸收截面小，堆內(nèi)輻照后傳熱性能和抗腐蝕性能好，故鋯合金是核動力反應(yīng)堆包覆材料和其他結(jié)構(gòu)材料[1]。在反應(yīng)堆運(yùn)行條件下，鋯合金包殼處于高溫、高壓水中，當(dāng)鋯合金吸收的氫超過氫在鋯中的固溶度時(shí)，過量的氫以氫化鋯形式析出。氫化鋯是一種很脆的第二相，會明顯降低鋯合金的塑性，氫脆的程度不僅取決于氫化物的數(shù)量，更取決于氫化物的形貌和取向[2]。在低溫下，當(dāng)氫化物垂直于主應(yīng)力方向時(shí)，可能發(fā)生最嚴(yán)重的脆化，其次是引起氫致延遲開裂(DHC)[3]。氫化物取向雖然通過管材的織構(gòu)來控制析出的取向，但元件在服役工況下受到較大的環(huán)向應(yīng)力，存在氫化物應(yīng)力再取向的問題[4]。Zr-Sn-Nb合金作為國內(nèi)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)包殼材料，需開展堆外應(yīng)用性能研究，以滿足設(shè)計(jì)要求。研究Zr-Sn-Nb合金管材氫化物應(yīng)力再取向規(guī)律前，必須制備出氫含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為150×10–6~200×10–6且氫化物分布均勻的試樣。通過干法滲氫系統(tǒng)進(jìn)行滲氫，金相顯微鏡觀察氫化物形貌，氫測試儀測試氫含量。研究了氣體滲氫后的氫化物分布規(guī)律，以及均勻化處理方法，從而制備出合格的樣品。
實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)設(shè)備和原理
氣體滲氫實(shí)驗(yàn)采用的是干法滲氫系統(tǒng)。滲氫裝置結(jié)構(gòu)及試樣放置位置見圖1。氣體滲氫過程是將試樣放在滲氫裝置內(nèi)，通入氫氬混合氣，加熱到400℃保溫?cái)?shù)2~4 h后冷卻，使鋯合金管材中氫化物析出。
試樣
試樣為同一批次的外徑和壁厚為f9.5mm×0.57 mm、長度為5 mm的Zr-Sn-Nb合金管材，狀態(tài)為消應(yīng)力退火，氫含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為5×10–6。
實(shí)驗(yàn)方法
本實(shí)驗(yàn)在400℃的氫氬氣混合氣(氫氣體積分?jǐn)?shù)為1.6%~3.0%，其余為氬氣)氣氛條件下，保溫滲氫2.5~3 h后(部分實(shí)驗(yàn)需在400℃的高純氬氣氣氛條件下，保溫4 h后)，按照表1所列方案實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后分別對不同方案的樣品進(jìn)行氫化物形貌觀察和氫含量測試。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論
氫化物形貌觀察
對不同處理方案的樣品進(jìn)行金相試樣制備、腐蝕及拍照，以及氫含量測試，具體照片及氫含量如下。
方案1試樣橫截面氫化物形貌見圖2。圖2中(a)、(b)、(c)、(d)圖分別為圖1中標(biāo)注的試樣相應(yīng)的a、b、c、d位置的氫化物形貌圖。從圖2中可以看到b、d位置氫化物分布較為均勻，長度適中(b位置氫化物長度平均值0.036 mm；d位置氫化物長度平均值0.038 mm)，便于氫化物取向因子以及應(yīng)力再取向測試計(jì)算。a位置氫化物長度較短，部分長度接近極限長度(0.015 mm)[4]。c位置氫化物數(shù)量過多，不宜測試和計(jì)算。
方案2試樣橫截面氫化物形貌見圖3。圖3中(a)、(b)圖分別為圖1中標(biāo)注的試樣相應(yīng)的a、c位置。從圖3中可以看到a位置氫化物分布、長度適中(氫化物長度平均值0.041 mm)，適合氫化物以及應(yīng)力再取向測試。c位置氫化物明顯過多，氫化物片層出現(xiàn)開裂、纏繞，不宜測試和計(jì)算。
方案3試樣橫截面氫化物形貌見圖4。圖4中(a)、(b)圖分別為圖1中標(biāo)注的試樣相應(yīng)的a、c位置。從圖4中可以看到a、c位置氫化物分布、長度適中，便于測試和計(jì)算。
通過上述三個(gè)方案相同位置(a或c位置)比較分析可以看出較低降溫速率(6℃/min)下，氫化物片層長度變長，分布均勻。
氫含量測試
氫含量測試分析見表2。
氣體動力學(xué)模型
設(shè)無限長水平直圓管的半徑為R，中軸線為x軸，徑向?yàn)?/span>r軸(圖5)，氣體沿x軸向流動。沿x軸任取一同軸圓柱形單元體CV，長為dx，半徑為r。不計(jì)質(zhì)量力和慣性力，僅考慮壓力和剪切力的氣體動力學(xué)模型，經(jīng)過推到可得出：
其中：u為某一層流速度，m/s；μ為與流體性質(zhì)相關(guān)的比例系數(shù)；L為管長，m。圓管截面上的速度廓線示意圖見圖6，圖6表明在圓管層流速度廓線為以軸線為中心線的旋轉(zhuǎn)拋物面，在軸線上，速度最大。
本實(shí)驗(yàn)采用的裝置如圖1所示，氣體流動從圓管邊部發(fā)起，可以近似的認(rèn)為如圖1裝置的圓管定常層流中圓管截面上的速度廓線為圖7所示的旋轉(zhuǎn)半拋物面，進(jìn)氣口端速度最大，從進(jìn)氣口沿a到c方向成拋物線遞減；沿b、d方向流速的分布是以a、c測試點(diǎn)所在的直徑為軸的對稱分布。
整個(gè)滲氫過程圍繞著氫氣和鋯的反應(yīng)進(jìn)行，氫原子半徑較小，容易借助空位擴(kuò)散，從晶界擴(kuò)散到基體中形成氫化物，整個(gè)擴(kuò)散過程的驅(qū)動力是氫在鋯中的濃度梯度。由氣體動力學(xué)模型知?dú)怏w流速從進(jìn)氣口沿a到c方向成拋物線遞減，a和c位置存在流速梯度，進(jìn)而使得試樣a和c位置表面氫濃度存在梯度。從圖2~4以及表2可知：方案1中滲氫后，以13℃/min的速率降溫，a和c位置不間斷的提供氫源，未進(jìn)行充分的擴(kuò)散，致使a和c氫含量相差75×10–6，并且a和c位置氫化物形貌呈極端化分布，a位置部分氫化物長度剛剛超過最短氫化物長度要求(0.015 mm)[4]，而c位置氫化物數(shù)量過多，部分纏繞，無法進(jìn)行氫化物取向以及再取向測試。方案2中滲氫后選擇較低降溫速率(6℃/min)，a和c位置不間斷的提供氫源，相比較方案1，方案2中氫進(jìn)一步擴(kuò)散，結(jié)果是a和c位置氫含量相差55×10–6，比方案1低；c位置氫化物部分纏繞，無法進(jìn)行氫化物取向以及再取向測試。方案3中滲氫后，改用氬氣氣氛均勻化，此時(shí)a和c位置不再與氫反應(yīng)，只有管材內(nèi)部擴(kuò)散，且以較低速率(6℃/min)降溫，使氫在鋯管中充分?jǐn)U散，結(jié)果是a和c氫含量相差8×10–6，近似認(rèn)為a和c位置氫含量較均勻。
綜上所述，圖1中氣體滲氫過程中，圓管截面上沿水平直徑方向，氣體流速度呈梯度分布，導(dǎo)致處于直徑上不同位置滲氫后氫化物數(shù)量、長度以及氫含量偏差較大。只有在惰性保護(hù)氣氛下足夠長時(shí)間以及低速率降溫后，氫在鋯管中充分?jǐn)U散，氫化物才能均勻分布。
結(jié)束語
本文通過建立氣體動力學(xué)模型，結(jié)合滲氫實(shí)驗(yàn)得到以下結(jié)論：滲氫裝置內(nèi)層流圓截面上流速呈旋轉(zhuǎn)半拋物面分布，從進(jìn)氣口開始沿水平直徑方向成拋物線遞減，在垂直方向上以水平直徑軸對稱分布；在氬氣氣氛中足夠長時(shí)間，以及低速率降溫后，氫在鋯管中充分?jǐn)U散，氫化物才能均勻分布；在石英管中氣體滲氫，只有通過400℃均勻化、低速率(6℃/min)降溫處理，才能制備出氫含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))在150×10–6~200×10–6范圍內(nèi)的應(yīng)力再取向試樣。
文章來源——金屬世界
